JP5353409B2 - スパッタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、成膜室内に設けられて、基板外でのスパッタ堆積膜の剥がれを防止する防着板を改良したスパッタ装置に関するものである。

従来、スパッタ装置において、成膜中に基板周辺に堆積するスパッタ膜の剥離を低減する方法として、特許文献１に示すように、基板周辺部品のターゲット側表面をターゲット材に近い熱膨張係数を持った材料で被覆して、基板周辺部品とスパッタ膜の熱応力を低減する方法が提案されている。また、基板周辺部品をスパッタ時にスパッタ膜付着部分が到達する温度付近になるように温度コントロールしておくことにより、基板周辺部品とスパッタ膜間の熱応力の増大を防止する手段も提案されている。

図５は特許文献１に示されるスパッタ装置の要部を示す図である。

図５において、５０１はバッキングプレート５０２に保持されたターゲット、５０３は基板、５０５はターゲット５０１の材質に近い熱膨張係数を持った材料５０４で被覆された基板周辺部品であって、基板周辺部品５０５は、加熱手段５０６によりスパッタ膜付着部分が到達する温度付近に温度コントロールされている。

また、特許文献２には、防着板の表面の少なくとも一部を襞状に、かつ断面がノコギリ刃形状になるように形成して表面積を拡大し、スパッタ膜剥がれを防止する方法が提案されている。

図６は特許文献２に示される防着板の概略構成図である。

図６において、６０１はターゲット６０２と基板６０３の間に設置された防着板であって、防着板６０１の表面の少なくとも一部が、襞状にかつ断面形状６０４がノコギリ刃形状になるように形成されている。

また、特許文献３には、ターゲットに対向するシャッターや防着板に相当する部位に銅製の凹凸薄板を貼り付けて、防着板の面積拡大を図ることにより、膜の堆積を低減することが提案されている。

図７は特許文献３に示される銅製の凹凸薄板を示す図であり、７０１は銅製薄板の凸部、７０２は銅製薄板に堆積したスパッタ膜である。

特開平５−１９５２１８号公報 特開平６−４９６３４号公報 特開平５−６５６４０号公報

しかしながら、前記従来の技術において、基板周辺部品のターゲット側表面をターゲット材に近い熱膨張係数を持った材料で被覆する方法では、主に酸化物を被覆材料として使う必要があり、被覆材料の剥離を防止するためは、酸化物の溶射や電着・焼成など防着板の表面処理コストが高くなる。

また、防着板をスパッタ時にスパッタ膜付着部分が到達する温度付近に温度コントロールする方法では、防着板をヒートアップするための熱源や温度をコントロールする複雑な装置が必要となると共に、放電停止時に防着板をヒートアップするためにエネルギーロスが生じる。

また、防着板の少なくとも一部を襞状にかつ断面がノコギリ刃形状になるように形成する方法では、ノコギリ刃形状の頂点が起点になって、堆積したスパッタ膜の剥がれが発生し、歩留りを低下させる。

また、スパッタ膜が堆積する箇所に銅製の凹凸薄板を貼り付けて、防着板の面積拡大を図る方法では、銅製薄板凸部の頂点に堆積した膜が起点となって、堆積したスパッタ膜の剥がれが発生する。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、複雑な機構を設けることなくチャンバー内のスパッタ膜の剥がれを防止し、高品質で防着板の交換頻度の少ない生産性の高いスパッタ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のスパッタ装置は、対向設置されたターゲット保持部および基板設置部と、前記基板設置部に設置された基板以外へのスパッタ粒子の付着を防ぐ防着板とを備え、前記基板設置部に設置された基板上へスパッタ膜を形成するスパッタ装置において、前記防着板は、前記ターゲット保持部に対向する面に複数の凹面が形成され、かつ前記複数の凹面をつなぐつなぎ目に溝が形成されたものである。

また、前記防着板における周縁部端面と前記凹面とのなす角度θを９０°以下に設定したものである。

前記構成により、スパッタ膜（スパッタ粒子）は、防着板上では前記複数の凹面と溝の内部に堆積し、放電停止後に前記複数の凹面の内側に囲われるように圧縮されることにより、防着面からの剥がれを防止できる。

さらに、前記各凹面のつなぎ目に形成された溝では、溝の内部へスパッタ膜が入り込んで立体的に保持されるため、前記複数の凹面のつなぎ目が膜剥がれの起点となることを防止できる。

また、防着板の周縁部では凹面の周縁部と端面のなす角度θが９０°以下となっているため、前記凹面の周縁部が陰となって、端面へのスパッタ膜の付着が少なくなり、端面が膜剥がれの起点となることを防止できる。

本発明によれば、
複雑な機構を設けることなくスパッタ膜の剥がれ起因のパーティクルを低減することができ、高品質で防着板の交換頻度の少ない生産性の高いスパッタ装置を提供できる。

本発明の実施の形態１であるスパッタ装置の構成図であり、（ａ）は実施の形態１のスパッタ装置の断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＺ−Ｚ’方向から見た平面図 実施の形態１における防着板の断面拡大図 （ａ）〜（ｆ）は本実施の形態における防着板のターゲットに対向する面に設けられた複数の凹面における曲率半径の設定の仕方について説明するための模式図 本発明の実施の形態２であるスパッタ装置における防着板の断面拡大図 従来例におけるスパッタ装置の要部を示す図 他の従来例における膜剥がれ防止法を説明するための要部を示す図 他の従来例における膜剥がれ防止法を説明するための要部を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ部材には同一符号を付して、詳しい説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１であるスパッタ装置の構成図であり、図１（ａ）は実施の形態１のスパッタ装置の断面図、図１（ｂ）は実施の形態１のスパッタ装置を図１（ａ）におけるＺ−Ｚ’方向から見た平面図である。

図１（ａ），（ｂ）において、１０１は、スパッタ装置の真空容器１０２内で裏面が給電用のバッキングプレート（ターゲット保持部）１０３にて保持されたターゲット１０４に対向するように、基板ホルダー（基板設置部）１１４に設置されている基板である。

基板１０１の周辺部には、ターゲット１０４に対向する面が複数の凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０からなり、かつ各凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０のつなぎ目にそれぞれ溝１０６ａ〜１０６ｃが形成された防着板１０７が設けられている。防着板１０７は、固定ネジ１１２と支持台１１３を介して、真空容器１０２の底部に固定されている。

図２に示す本実施の形態１における防着板の断面拡大図のように、防着板１０７における外側の周縁部の凹面１０８は、防着板１０７の端面１０９となす角度θ_１が９０°以下となっている。防着板１０７には基板１０１の設置箇所近傍に開口１２０が形成され、開口１２０側の内側周縁部の凹面１１０は、基板１０１に近接する内側端面１１１の高さを低くするため傾斜した凹面になっている。内側周縁部の凹面１１０と内側端面１１１とがなす角度θ_２も９０°以下となっている。この理由については、後述する。

図１（ａ）において、スパッタ膜の成膜時には、真空容器１０２内にガスを所定量流入し、真空ポンプ（図示せず）と圧力調整弁（図示せず）を動作させ、真空容器１０２内を所定の圧力に保ち、給電用のバッキングプレート１０３に所定の電力を印加し、ターゲット１０４の裏面に配置された磁石（図示せず）によるマグネトロン放電が行われる。

本実施の形態１では、ターゲット１０４としてＳｉターゲットを用い、放電中のガスとしてＡｒガスとＯ_２ガスを用いて、ＳｉＯ_２膜を基板１０１に成膜している。

基板１０１は基板ホルダー１１４により保持され、基板１０１上でのスパッタ膜厚のバラツキを抑制するため、基板ホルダー１１４は回転機構（図示せず）により回転駆動される。

所定の成膜時間経過後、真空容器１０２に設けられたロードロック（図示せず）を介して、成膜後の基板１０１を搬出し、次に成膜する基板１０１を真空容器１０２内に投入する。

図２において、二点鎖線にて防着板１０７上のスパッタ堆積膜（スパッタ膜）１１５を示す。本実施の形態１では防着板１０７としてアルミ製のものを用い、防着板１０７のターゲット１０４に対向する面に設けられた複数の凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０と溝１０６ａ〜１０６ｃにスパッタ膜としてＳｉＯ_２が堆積する。

放電終了後、ロードロック（図示せず）を介して成膜処理が終了した基板１０１の取り出しと、次に成膜する基板の投入を行う。この繰り返しにより、防着板１０７上のスパッタ堆積膜１１５は放電時にはプラズマに曝され、エネルギーを帯びたスパッタ粒子が飛散してくることにより加熱され、放電終了後に温度が下がる。

この際、二点鎖線で示すスパッタ堆積膜１１５は、防着板１０７との熱膨張差により圧縮力を受ける。またスパッタ膜の堆積と共に、ＳｉＯ_２のように防着板１０７に比べて熱膨張係数が小さいスパッタ堆積膜の場合、防着板１０７がスパッタ堆積膜１１５側に凸形に変形してくる。

しかし、本実施の形態１においては、防着板１０７のターゲット１０４に対向する面に複数の凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０が設けられているため、スパッタ堆積膜１１５は防着板１０７から凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０の内側に囲われるように圧縮されることで、剥離を防止することができる。それと共に、防着板１０７の凸形変形を抑制することにより、スパッタ堆積膜１１５が膜剥がれの起点になることを防止している。

凹面１０５ａ，１０５ｂの深さ寸法Ａは、防着板交換時までスパッタ堆積膜１１５を堆積させたときの該堆積膜厚より深く設定している。その寸法は、本実施の形態１では０．３８ｍｍに設定し、凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０の曲率半径Ｒを８２０ｍｍに設定し、凹面の幅Ｄを２５ｍｍに設定している。曲率半径Ｒの設定については後で説明する。凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０の曲率半径Ｒと深さ寸法Ａが決まれば、凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０の幅Ｄが決まる。

また、溝１０６ａ〜１０６ｃでは、溝１０６ａ〜１０６ｃの内部へスパッタ膜が入り込んで立体的に保持されているため、前記複数の凹面１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０のつなぎ目が膜剥がれの起点となることを防止している。本実施の形態１では、溝１０６ａ〜１０６ｃの深さ寸法Ｂは、防着板交換時までスパッタ堆積膜１１５を堆積させたときの堆積膜厚より深く設定している。

溝１０６ａ〜１０６ｃの開口部の幅寸法Ｃは、堆積する膜の成長膜の粒界の大きさ１個から５個分に相当する寸法に設定して、溝１０６ａ〜１０６ｃに飛散してくるスパッタ粒子が溝内で成長できる幅（スパッタ粒子１個以上の大きさ）を確保する。それと共に、スパッタ粒子が大きく成長し過ぎて、膜剥がれの起点になることを防止している。本例では、スパッタ膜としてＳｉＯ_２膜を堆積させる場合、溝深さ１ｍｍ、開口部位の幅０．５ｍｍに設定している。

また、防着板１０７における外側の周縁部の凹面１０８では、周縁部と端面１０９のなす角度θ_１を９０°以下としており、凹面１０８の周縁部が陰となって端面１０９へのスパッタ膜の付着が少なくなり、端面が膜剥がれの起点となることを防止している。

また、周縁部と端面１０９のなす角度は、ターゲット１０４から防着板１０７の周縁部の端面１０９へのスパッタ粒子が飛散方向に対して、凹面１０８の周縁部が陰になるように設定する必要があり、本例では、防着板１０７の外側における周縁部の端面１０９での角度θ_１は８０°に設定している。

また、スパッタ粒子の飛散方向が垂直に近い内側における周縁部１１０の端面１１１での角度θ_２は６０°に設定している。さらに内側の周縁部１１０では、水平より傾けて凹面を付けることにより端面１１１を低くして基板１０１への影響を少なくしている。本例では端面１１１の高さＬを２ｍｍ以下にするために１０°傾斜させている。

本実施の形態１における防着板１０７のターゲット１０４に対向する面に設けられた複数の凹面１０５ａ，１０５ｂにおける曲率半径の設定の仕方について、図３の模式図によって説明する。

防着板と同じ板厚で同じ材料で、かつ同じ表面処理を施された図３（ａ）に示す平板１１６に対して、その表面にスパッタ堆積膜１１７を堆積させる。

図３（ｂ）に示すように、スパッタ堆積膜１１７が厚さＳｃだけ堆積して凸形に変形し、スパッタ堆積膜１１７が剥がれる始める時の平板１１６の反りを臨界反りＴｃとし、図３（ｃ）に示すように、防着板交換時までスパッタ堆積膜１１７を厚さＳｆ（＞Ｓｃ）だけ堆積させた場合のスパッタ堆積膜１１７の反りをＴｆとする。図３（ｃ）では、図示するように、平板１１６の臨界反りＴｃを超えた反りＴｆが発生しているため、平板１１６からスパッタ堆積膜１１７の膜剥れが発生する。

ここで、予め図３（ｄ）に示すように、曲板２１６の凹部にスパッタ堆積膜１１７が堆積した際に逆方向の反り（Ｔｃ−Ｔｆ）が発生するように、曲板２１６のスパッタ堆積膜１１７が堆積する側に曲率半径Ｒの凹部を形成しておく。

図３（ｅ）に示すように、曲板２１６の凹部に厚さＳｃだけスパッタ堆積膜１１７を堆積させた場合、この曲率半径Ｒの凹部の形状により、曲板２１６のスパッタ堆積膜１１７には逆方向の反り（Ｔｃ−Ｔｆ）が発生し、曲板２１６を凸形状に変形させる反りＴｃと重なって、この状態での反りＴｃ´＝（Ｔｃ−Ｔｆ）＋Ｔｃ＜Ｔｃとなる。

さらに、図３（ｆ）に示すように、防着板交換時までスパッタ堆積膜１１７を厚さＳｆだけ堆積させ、曲板２１６を凸形状に変形させる反りＴｆが重なっても、この状態での反りがＴｆ´＝（Ｔｃ−Ｔｆ）＋Ｔｆ＝Ｔｃとなり、曲板２１６の反りＴｆ´を、スパッタ堆積膜１１７が剥がれる始める時の臨界反りＴｃと等しくすることができる。すなわち、予めスパッタ堆積膜１１７が堆積する側に曲率半径がＲより小さい凹面を形成することによって、防着板交換時までスパッタ堆積膜１１７の剥がれを防止することができる。

図３の模式図に示すような平板１１６，曲板２１６を用いた実験結果を元に、図１（ａ），（ｂ）および図２において、曲率半径Ｒを８２０ｍｍとしてアルミ製の防着板へ堆積したところ、ＳｉＯ_２のスパッタ堆積膜１１５の剥がれを防止することができた。

なお、上記図３（ａ）〜（ｆ）の説明において、Ｔｃ，Ｔｆ，Ｔｃ´，Ｔｆ´は、それぞれ絶対値としている。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２であるスパッタ装置における防着板の断面拡大図である。

本実施の形態２の防着板２０７では、実施の形態１と同じようにターゲット１０４に対向する面が複数の凹面２０５ａ，２０５ｂ，２０８，２１０からなり、かつ各凹面２０５ａ，２０５ｂ，２０８，２１０のつなぎ目に溝２０６ａ〜２０６ｃがそれぞれ形成されている。

防着板２０７におけるターゲット１０４に対向する面において、複数の凹面２０５ａ，２０５ｂ，２０８，２１０の曲率半径Ｒと深さ寸法Ａ、および溝２０６ａ〜２０６ｃの深さ寸法Ｂと開口部幅寸法Ｃは、実施の形態１と同じように設定されている。

図４における点線で示す１１８は、防着板２０７の表面に設けた微小凹凸であって、スパッタ堆積膜１１５に対しアンカー効果をもたらすことにより、より強固にスパッタ膜の剥がれを防止することができている。本実施の形態２では、防着板２０７のターゲット１０４に対向する表面にアルミニウム合金を溶射して、微小凹凸１１８を形成している。微小凹凸１１８の表面粗さは、本実施の形態２ではＲａ＝３０μｍにしている。

本実施の形態２の構成によれば、図３に示すような平板１１６を用いた実験結果において、スパッタ膜が剥がれる始めるときの反り（臨界反りＴｃ）は、アルミニウム合金を溶射しないブラスト処理のみの場合（Ｒａ＝５μｍ）に比べ２倍以上にすることができた。

すなわち、本実施の形態２では、ターゲット１０４に対向する複数の凹面２０５ａ，２０５ｂ，２０８，２１０の曲率半径Ｒが３２００ｍｍ以下の場合において、防着板２０７に堆積したＳｉＯ_２のスパッタ堆積膜１１５の剥がれを防止することができる。

なお、本実施の形態１，２では、防着板のターゲットに対向する面に複数の凹面と、各凹面のつなぎ目に溝とを同心円状に形成したが、防着板のターゲットに対向する面に縦方向や横方向に平行／並行に複数の凹面を形成して、各つなぎ目に直線溝が形成されている構成にしても、スパッタ膜の剥がれに対して同等な効果が得られる。

また、本実施の形態では、複数の凹面における各つなぎ目に設けられた溝の断面形状について矩形のものを用いたが、深さ寸法と開口部幅寸法が重要であり、断面形状を加工の都合でＵ字形状やＶ字形状にしても、スパッタ膜の剥がれに対して同等の効果が得られる。

本発明のスパッタ装置は、堆積膜の膜剥がれを防止することが可能であるため、真空容器の中で成膜を行う蒸着装置などに適用することができる。

１０１ 基板
１０２ 真空容器
１０４ ターゲット
１０５ａ，１０５ｂ，１０８，１１０ 凹面
１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ 溝
１０７ 防着板
１０９ 端面
１１１ 内側端面
１１５ スパッタ堆積膜
１１８ 微小凹凸
１２０ 開口

Claims (7)

1. 対向設置されたターゲット保持部および基板設置部と、前記基板設置部に設置された基板以外へのスパッタ粒子の付着を防ぐ防着板とを備え、前記基板設置部に設置された基板上へスパッタ膜を形成するスパッタ装置において、
   前記防着板は、前記ターゲット保持部に対向する面に複数の凹面が形成され、かつ前記複数の凹面をつなぐつなぎ目に溝が形成されたこと
   を特徴とするスパッタ装置。
2. 前記防着板における周縁部端面と前記凹面とのなす角度θを９０°以下に設定したことを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
3. 平板にスパッタ膜を堆積させた場合にスパッタ膜が剥がれ始める時の該平板の反りを臨界反りＴｃとし、防着板交換時まで前記スパッタ膜を堆積させた時の前記平板の反りをＴｆとし、前記平板の曲率半径Ｒの凹面にスパッタ膜を堆積した場合に発生する反りを（Ｔｃ−Ｔｆ）とした場合に、前記凹面の曲率半径を前記Ｒよりも小さい値に設定したこと
   を特徴とする請求項１または２記載のスパッタ装置。
4. 前記凹面の深さを、防着板交換時までスパッタ膜を堆積させたときの膜厚より深く設定したこと
   を特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のスパッタ装置。
5. 前記凹面の前記つなぎ目に形成された前記溝の深さを、ターゲット終了時までスパッタ膜を堆積させた時の膜厚より深く設定したこと
   を特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のスパッタ装置。
6. 前記凹面の前記つなぎ目に形成された前記溝の開口幅を、堆積するスパッタ膜の成長膜の粒界の大きさ１個乃至５個分に相当するように設定したこと
   を特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載のスパッタ装置。
7. 前記防着板における前記凹面と前記溝が形成された面に、微小凹凸を設けたこと
   を特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載のスパッタ装置。

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